7 Mart 1908'de Roma'da doğdu. Annesi tanınmış bir terzi olan Marina Magnani idi. Babası ise bilinmiyor. Anne tarafından Dora, Maria, Rina, Olga ve İtalia isimli beş teyzesi olan Anna'nın Romano isimli bir de dayısı vardı.
Anna doğduktan sonra Marina, Mısır'ın İskenderiye şehrine taşındı ve varlıklı bir Avusturyalı ile evlendi. Marina Birinci Dünya Savaşı'nın bitiminde Roma'ya döndü ve Anna'yı yalnızca birkaç ay kalacağı bir Fransız sörler mektebine yolladı. Anna okulu bırakıp piyano çalışmaya başladı ve bunu lise yıllarına kadar sürdürdü. Bu arada İskenderiye'ye annesini ziyarete gitti, ama onun tarafından sevilmediğini hissederek döndü. Büyükannesi ile yaşamaya devam etti.
Roma'ya döndüğünde oyunculuk okumaya karar verdi. 1927 Ocak ayında, Silvio d'Amico yönetimindeki Eleonora Duse Oyunculuk Okulu'na girdi. (Bu okul 1935'te Drama Sanatları Akademisi olmuştur.) Aynı yıl Niccodemi Vergani Cimara toplululuğunda oyunculuk yapmaya başladı. 1928'de bu grupla birlikte Arjantin'e yapılan bir turneye katıldı.
1929 yılında grup dağıldı ve Anna çok sevdiği büyükannesini kaybetti. 1932'de okula birlikte başladığı oyuncu Paolo Stoppa ile birlikte Antonio Gandusio topluluğunda çalışmaya başladılar. Anna bu toplulukta dikkatleri üzerine çekti ve sinemada da çalışmaya başladı.
Anna Magnani'nin sinema kariyeri 1934'te Nunzio Malasomma'nın La cieca di Sorrento filmiyle başladı. 3 Ekim 1935'te yönetmen Goffredo Alessandrini ile evlendi. Bir çok filmde hizmetçi ya da şarkıcı rollerinde yer aldıktan sonra dramatik rollerdeki yeteneğini göstermeyi başardı.
1941 yılında Vittorio De Sica'nın Teresa Venerdì filminde ikinci dereceden olmayan bir karakter olan Loretta Prima'yı oynama imkânı buldu. 23 Ekim 1942'de, genç oyuncu Massimo Serato ile ilişkisinden, tek oğlu olan Luca doğdu.
Dünya çapında üne ulaşması Yeni Gerçekçilik akımının manifesto filmi de sayılabilecek olan Roberto Rossellini'nin Roma, Açık Şehir (Roma Città Aperta ) filmiyle oldu. 1951'de senaryosunu Cesare Zavattini'nin yazdığı Luchino Visconti filmi Bellissima'da rol aldı. 21 Mart 1956'da, Daniel Mann'ın yönettiği La rosa tatuata filmiyle, Oscar Ödülü alan ilk İtalyan oyuncu oldu. Aynı filmle BAFTA en iyi kadın oyuncu ödülünü de aldı. 1962'de Pier Paolo Pasolini'nin Mamma Roma'sında başroldeydi.
1971'de o güne kadar kuşkuyla yaklaştığı televizyon dünyasına girdi. Alfredo Giannetti'nin Tre Donne: La Sciantosa, 1943: un incontro ve L'automobile adlı üç mini filmden oluşan dizisinde yer aldı.
Anna Magnani 26 Eylül 1973'te Roma'da pankreas kanseri tedavisi gördüğü Mater Dei kliniğinde öldü. 65 yaşındaydı.